ISEL - Engenharia Biomédica - Dissertações de Mestrado
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Percorrer ISEL - Engenharia Biomédica - Dissertações de Mestrado por Domínios Científicos e Tecnológicos (FOS) "Ciências Médicas::Outras Ciências Médicas"
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- Análise da duração do ciclo de marcha com recurso a wearable sensor baseado nas tecnologias LiDAR e IoTPublication . Simões, Bruna Marta Alves; Fantoni, Alessandro; Costa, João Pedro Barrigana Ramos da; Matos, José Pedro FulgêncioA prescrição e avaliação de próteses do membro inferior baseiam-se predominantemente em critérios empíricos e subjetivos, podendo resultar na aplicação de próteses não otimizadas às necessidades individuais dos utentes, contribuindo para o desperdício de recursos e elevados custos para os sistemas de saúde. A falta de acesso a Instrumentos de Medição e Avaliação limita a tomada de decisão baseada em evidência, bem como a implementação de intervenções individualizadas e sustentáveis. A marcha assimétrica está associada a custos energéticos elevados, desgaste articular precoce devido à maior solicitação do membro contralateral, ao alinhamento incorreto das próteses e à sua adaptação inadequada. A análise objetiva depende geralmente de equipamentos complexos, volumosos ou dispendiosos, dificultando a sua aplicação em contextos clínicos do dia-a-dia. Este estudo propõe um dispositivo wearable baseado num sensor LiDAR, um microcontrolador e o recurso a tecnologias IoT, para uma avaliação quantitativa dos parâmetros da marcha, nomeadamente a duração do ciclo de marcha e a simetria dos membros inferiores. Como prova de conceito os testes foram realizados com o sensor TF mini-S LiDAR e o microcontrolador Arduino Nano RP2040 Connect. O sensor, posicionado na face interna da perna, deteta a fase do apoio médio – momento em que o membro contralateral cruza o plano sagital. Combinado com o Arduino Nano RP2040, o sistema processa dados em tempo real, calculando a Duração do Ciclo de Marcha e quantificando assimetrias entre os membros inferiores, através do Índice de Simetria e da Razão de Simetria. O dispositivo, de dimensões reduzidas, incorpora conetividade Wi-Fi e tecnologias IoT, permitindo a transmissão, controlo e visualização remota dos dados no Arduino Cloud. Visa a avaliação objetiva contínua em ambientes não laboratoriais, o suporte a decisões clínicas, a seleção de componentes protésicos e a promoção da sustentabilidade dos sistemas de saúde, melhorando a qualidade de vida dos amputados e definindo padrões de reabilitação baseados em evidência e acessibilidade.
- Artificial intelligence applied to brain tumor classification in MRI scansPublication . Ribeiro, Ana Filipa Ferreira; Ribeiro, Maria Margarida do Carmo Pinto; Carreira, Fernando Paulo Neves da Fonseca CardosoAbstract Gliomas are heterogeneous, difficult to delineate, and consume significant clinical time. This work prioritizes MRI preprocessing and a simple 2D U-Net, comparing pipelines that improve image quality instead of optimizing a full segmentation system under GPU/time constraints. We used multimodal BraTS 2023 data (FLAIR, T1Gd, and T2), excluding native T1 due to practical redundancy. Three methods were compared. Method 1 applied per-volume min–max normalization and geometric-center cropping. Method 2 replaced this with z-score normalization (computed only on intracranial/non-zero voxels) and centering guided by T1Gd intensity. Method 3 added bias-field correction (N4) and label-free localization based on FLAIR (Otsu + largest connected component), avoiding label leakage in testing/validation. In all cases, a simple 2D U-Net (MONAI) with three input channels and four classes was trained using Dice + cross-entropy loss and early stopping. Evaluation followed the BraTS subregions (ET, TC, WT) and standard metrics (Dice, IoU, sensitivity, precision, and specificity). Results show consistent gains for Method 3 over the others. On the test set, Method 3 achieved mean Dice of 0.626 (ET), 0.682 (TC), and 0.844 (WT), surpassing Method 2 by +0.073, +0.153, and +0.072, respectively. Improvements are most pronounced in the TC, the most challenging region. In conclusion, the intracranial normalization, bias-field correction, and FLAIR-guided centering increase input reliability and the stability of the 2D model, providing a solid foundation for future 3D extensions and external validation.
- Biofunctionalization of electrospun meshes to promote skin regenerationPublication . Gonçalves, Daniela Alexandra Chainho; Dias, Juliana; Araújo, Marco; Calado, Cecília Ribeiro da CruzAbstract Electrospun poly(ε-caprolactone) (ePCL) meshes offer promising wound-healing properties but suffer from limited hydrophilicity and bioactivity. This work explores whether covalent biofunctionalization with chitosan (CS), gelatin (Gel), or arginine (Arg) can enhance their physicochemical performance and cell response. Poly(ε-caprolactone) (PCL) was electrospun, hydrolyzed to expose –COOH groups, and functionalized using carbodiimide chemistry with increasing concentrations of each biomolecule. Physicochemical characterization (SEM/EDX, FTIR-ATR, porosity/density, water vapor transmission rate, water contact angle) and mechanical properties (Young’s modulus, elongation and tensile strength at break) were performed. Biocompatibility was assessed with L929 fibroblasts via indirect/direct contact and 14-day proliferation, as well as cell morphology and fibronectin deposition were examined by SEM/confocal microscopy. All coatings were successfully immobilized without compromising mesh porosity, which remained within the tissue-engineering range (~60–90%). Water vapor transmission rates were preserved at clinically relevant levels. Surface wettability improved markedly, with Arg producing highly hydrophilic surfaces across all concentrations, while CS at 0.5 wt% also reduced hydrophobicity substantially; in contrast, Gel displayed a concentration-dependent effect, becoming hydrophobic at 1 wt%. Mechanical testing revealed moderate stiffening at intermediate Gel and Arg concentrations, although extensibility and tensile strength decreased relative to unmodified meshes. No formulation exhibited cytotoxicity. Fibroblast metabolic activity increased for all coatings compared with ePCL, with Gel (0.5 wt%) and Arg (1 wt%) promoting early gains at day 3, whereas CS (0.1 wt%) sustained proliferation through day 14. Overall, biofunctionalization of CS, Gel, and Arg onto ePCL yielded scaffolds combining high porosity, favourable vapour permeability, and improved cell interactions. CS at 0.1 wt%, Gel at 0.5 wt% and Arg at 1 wt% offered the most balanced profiles, suggesting these coatings as promising candidates for advanced wound dressings.
- Caracterização das variantes de hemoglobina encontradas durante um programa de rastreio neonatal de anemia das células falciformes em AngolaPublication . Estopa, Rita Isabel Paulo; Brito, Rui Miguel Duque deAs hemoglobinopatias consistem num grupo heterogéneo de doenças genéticas, tendo uma elevada prevalência global, particularmente em África, destacando-se a Anemia das Células Falciformes (ACF) e as Talassemias. Em Angola, apesar de ser conhecida a elevada prevalência de ACF, a diversidade genética das variantes de hemoglobina permanece pouco caracterizada, limitando o desenvolvimento de estratégias de rastreio e de intervenção médica. Tem sido, ao longo dos anos, comprovado o importante papel do rastreio neonatal na redução da mortalidade infantil associada a hemoglobinopatias. Esta dissertação teve como objetivo caracterizar molecularmente as variantes de hemoglobina detetadas durante um Programa de Rastreio Neonatal de ACF, contribuindo para o conhecimento epidemiológico no país. Foram analisadas por Focagem Isoelétrica (IEF) 13 256 amostras de recém-nascidos, tendo-se selecionado 45 dessas amostras, que demonstraram perfis eletroforéticos atípicos, para análises moleculares complementares, nomeadamente PCR-RFLP, Gap-PCR e sequenciação de Sanger. Foram confirmadas variantes estruturais de elevada prevalência, como HbS e HbC, bem como variantes menos expectáveis, como HbE, sugerindo fenómenos de ancestralidade ou migração. Os resultados revelaram que 26,7% das amostras atípicas apresentavam genótipo AS, 17,8% genótipo AC, 2,2% genótipo AE e 2,2% genótipo SS, permanecendo 51,1% inconclusivas, sobretudo devido a limitações técnicas, fraca qualidade do DNA extraído de sangue seco e dificuldades na amplificação dos genes HBA. Foram ainda detetados SNPs reportados como benignos (rs10768683 e rs713040), mas cuja relevância clínica demonstra carecer de investigação adicional. Este estudo reforça a importância da combinação de métodos fenotípicos e moleculares para a confirmação diagnóstica de hemoglobinopatias, especialmente em contextos de elevada diversidade genética. A identificação de variantes inesperadas sublinha a necessidade de abordagens diagnósticas mais abrangentes, contemplando fenómenos migratórios e uma gama mais alargada de hemoglobinopatias. Os dados obtidos fornecem suporte científico para a consolidação e otimização de programas de rastreio neonatal em Angola, com potencial aplicabilidade em outros contextos africanos.
- Desenvolvimento de dispositivos em aço inoxidável por fabrico aditivo, para aplicação ortopédicaPublication . Casimiro, Pedro Tomás Alvarez Ferreira; Calado, Cecília Ribeiro da Cruz; Rodrigues, Maria Alexandra Sousa; Gouveia, Bárbara Perry AlvesCom o crescente interesse na tecnologia de fabrico aditivo, a avaliação da biocompatibilidade e das propriedades mecânicas dos materiais para aplicações médicas tornou-se crucial. Este estudo teve como objetivo investigar as propriedades mecânicas e a citotoxicidade de estruturas porosas giroide, honeycomb e triangular concebidas para potenciais aplicações ortopédicas. As estruturas foram fabricadas utilizando a tecnologia de fabrico por filamento fundido de metal (FFF) a partir de um filamento BASF Ultrafuse 316L. Este estudo demonstrou a importância e o impacto do design e da densidade das peças nas propriedades mecânicas das estruturas e na sua viabilidade celular. As estruturas que combinaram as melhores propriedades mecânicas e de biocompatibilidade foram as de preenchimento baixo e sem paredes, como a giroide 35% e a honeycomb 35%. Estas estruturas apresentaram tensões de cedência e módulos de elasticidade próximos dos requisitos mecânicos para o osso cortical e mantiveram boa viabilidade celular, com menor formação de resíduos.
- Desenvolvimento de um biossensor piezoelétrico para determinação de ácido úrico em amostras biológicas: prevenção e controlo da gota úricaPublication . Martins, Inês Filipa de Sousa; Silva, Nelson Alberto Frade da; Semedo, Magda Sofia Soares de Carvalho Cardoso NobreO presente trabalho versa o desenvolvimento de um biossensor piezoelétrico para a determinação do ácido úrico em amostras de urina na perspetiva do controlo e prevenção de gota úrica. A motivação principal deste trabalho prende-se com o desenvolvimento de uma metodologia alternativa aos procedimentos de diagnósticos estabelecidos, em particular um imunossensor piezoelétrico, para determinação precoce de ácido úrico na urina, caracterizada, essencialmente, por um procedimento simplificado, uma resposta rápida, pela possível reutilização e por um baixo custo associado. O elemento de reconhecimento biológico ou biorecetor do biossensor desenvolvido, consistiu em anticorpos policlonais contra o ácido úrico. Este elemento de reconhecimento foi imobilizado na superfície do transdutor selecionado para o biossensor desenvolvido que consistiu num cristal de quartzo, piezoelétrico, com 14 mm de diâmetro, recoberto com um elétrodo de ouro em ambas as superfícies e exibindo uma frequência de ressonância nativa de 10 MHz. Como complemento do sistema de transdução, foi utilizada uma microbalança de cristal de quartzo, a qual permitiu a medição da variação da frequência de vibração do cristal piezoelétrico decorrente da ligação da espécie de interesse ao biorecetor. O procedimento de imobilização do biorecetor incluiu a preparação inicial de uma monocamada automontada de ácido 11-mercaptoundecanóico na superfície do sensor, ativada com uma mistura de N-Hidroxissuccinimida e 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida. As condições experimentais inerentes à formação da biocamada foram otimizadas com base numa análise de variância (ANOVA) de acordo com um planeamento fatorial do tipo 23. Neste sentido, foram estudados 3 fatores, designadamente a concentração de ácido 11-mercaptoundecanóico, a relação entre o 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida e o N-Hidroxissuccinimida e a diluição da solução de anticorpo comercial e 2 níveis para cada fator. Devido a limitações do planeamento, foram realizados alguns ensaios adicionais visando a otimização da resposta analítica biossensor e que versaram, nomeadamente, o efeito do tempo de ligação dos anticorpos policlonais à monocamada automontada e do tempo de incubação do antigénio ao biorecetor. Em termos da sua performance analítica, o biossensor desenvolvido exibiu um intervalo de resposta linear entre 10 mM e 500 mM de ácido úrico, uma sensibilidade de 0,578 Hz g-1 mL, um limite de deteção de 5,0 g/mL, um limite de quantificação de 18,0 g/mL e um tempo de resposta de ~20min. O biossensor desenvolvido foi utilizado na determinação da concentração de ácido úrico em amostras de urina fortificadas com uma solução de antigénio comercial. Obteve-se um erro relativo inferior a 10% para todas as concentrações de controlo, nomeadamente 20 g/mL, 75 g/mL e 150 g/mL de ácido úrico, o que traduz uma exatidão bastante significativa das medidas efetuadas.
- Determinação das características radiómicas informativas e o seu impacto em modelos de apoio à decisão clínica aplicada à ressonância magnética da próstataPublication . Costa, Andreia Pinto; Santinha, João António Alves; Vieira, Lina da Conceição Capela de OliveiraDescritores de propriedades são parâmetros quantitativos extraídos de imagens médicas, os quais têm-se demonstrado promissores no desenvolvimento de modelos preditivos de machine learning (ML) aplicados ao apoio à decisão clínica. Contudo, a reprodutibilidade dos descritores, a elevada dimensionalidade dos dados, a seleção de recursos robustos e a generalização dos modelos constituem desafios metodológicos relevantes. Este estudo avaliou o impacto de diferentes metodologias de seleção de descritores radiómicos na construção de modelos de ML para a classificação de lesões prostáticas. Para tal, foi utilizado o dataset PROSTATEx, disponibilizado pela base de dados The Cancer Imaging Archive, composto por exames retrospetivos de multiparametric magnetic resonance imaging (mpMRI), em sequência T2, constituído por 204 sujeitos e 299 lesões segmentadas. Foram extraídos descritores de primeira-ordem, textura e forma, obtidos a partir da imagem original e de imagens derivadas de filtros. Consideraram-se dois conjuntos de dados: original e randomizado (obtido pela randomização da intensidade dos píxeis). As análises estatísticas incluíram: correlação Spearman e coeficiente de correlação intraclasse (ICC). Combinação dos resultados obtidos, através de operações de interseção e união, e análise univariada, para identificar descritores com maior significância com a variável a prever. Posteriormente, foram desenvolvidos quatro modelos de ML, cada um baseado numa das metodologias de seleção de descritores, comparados através de métricas de desempenho. Os resultados mostraram que a correlação Spearman identificou 1009 descritores não redundantes tendo sido eliminados 386, enquanto o ICC considerou 789 descritores informativos, com eliminação de 620. A união dos conjuntos resultou em 1154 descritores, enquanto a interseção obteve 650. Relativamente à análise univariada, nenhum descritor foi estatisticamente significativo. Este estudo demonstra que a aplicação de métodos de seleção de descritores informativos pode contribuir para melhorar o desempenho dos modelos de ML no contexto da classificação de lesões prostáticas.
- Effects of listening to music on patients who undergo bone scintigraphyPublication . Boal, Maria Ferreira; Vieira, Lina da Conceição Capela Oliveira; Guerreiro, Tiago João VieiraAbstract Problem definition: One of the most relevant oncology diseases is breast cancer, with an incidence of 12.0% in Portugal in 2018. Breast Cancer has a high rate of bone metastasis, so patients undergo bone scintigraphy for the detection of bone metastases due to its high sensitivity. Although this exam is almost routine for these patients, they still feel anxiety when they undergo it. There are many methods of reducing anxiety described in the literature, the most studied being listening to music. To our best knowledge, a study assessing whether listening to music contributes to anxiety reduction in patients undergoing bone scintigraphy has not yet been carried out. Aim: This study aims to evaluate the effect of listening to music during bone scintigraphy on the level of anxiety in patients with breast cancer. Methodologies: Exploratory, quasi-experimental study where 15 participants were included in the control group and 15 in the experimental group. Both underwent bone scintigraphy. The patients included in the experimental group listened to music during the image acquisition while the ones included in the control group did not. All patients answered to the pre-exam and post-exam questionnaires, as well as the State-Trait Anxiety Inventory questionnaire before scan and after scan, and physiological measures were also measured pre-exam and post-exam. Wrist accelerometers were used four days before the exam. Results: Our results show that blood pressure values were elevated pre- and post-exam and that STAI scores decreased after the exam in both groups. We also established statistically significant differences post-exam between the groups in relation to heart rate and oxygen saturation in the blood. Additionally, with statistical significance, a strong correlation between STAI pre-scan and diastolic blood pressure for the control group, and a moderate correlation between STAI post-scan and respiratory rate for the experimental group were discovered. Furthermore, we found that the day before the exam participants have more sleepy periods during the day and stay in these periods for a longer duration compared with the other days. Conclusion: In conclusion, listening to music to reduce patients' anxiety during bone scans seems to be a good method, considering that patients who reported feeling anxious in the experimental group, mostly stated that listening to music helped reduce anxiety and that STAI scores and systolic blood pressure decreased after the intervention.
- Electrocardiography signal generation systemPublication . Domingos, Daniel Afonso de Jesus Ribeiro; Lourenço, André Ribeiro; Silva, Hugo Plácido daAbstract Simulation systems play a critical role in maintenance, education, research, and procedural training, through modeling and reproduction of specific conditions and biosignals, such as ECG. However, conventional ECG simulators bypass the complexities of the skin-electrode interface, which is essential for high-quality and real-world resemblance signal acquisition during electrocardiogram (ECG) exams. The absence of this interface in simulation settings often neglects the impact of impedance, a key factor influencing signal quality and veracity. This study introduces a novel 1-lead ECG simulation device designed to emulate the skinelectrode interface and assess the effects of impedance on ECG signal quality. The system integrates a computer interface for controlling and managing a signal generator device, with ECG signals sourced from a publicly available physiological signals database. The developed device demonstrates the significance of impedance in medical-grade ECG signal fidelity, emphasizing the importance of contact area in mitigating signal distortion. This work highlights the potential of advanced simulation systems to enhance the realism of training and testing environments, ultimately improving diagnostic accuracy, learning and a rigorous maintenance.
- The impact of different types of respiratory failure on death in the ICU, in a Portuguese population with COVID-19Publication . Cabral, Susana Isabel de Lousa; Pinto, Iola Maria Silvério; Bento, LuísAbstract Background: The COVID-19 pandemic, caused by SARS-CoV-2, was one of the major challenges of the 21st century. It rapidly spread worldwide, ranging from mild to critical forms. Early identification of high-risk patients was essential to optimize treatment and resources. Arterial blood gas (ABG) analysis provided information on oxygenation, ventilation, and acid-base balance, for early disease severity assessment at intensive care unit (ICU) admission. Purpose: To assess the predictive value of ABG parameters (PaO2, PaCO2, pH, and lactate) for adverse clinical outcomes (ICU death, need for invasive mechanical ventilation (IMV), and extracorporeal membrane oxygenation (ECMO)) and their association with the duration of ICU stay and invasive supports. Methods: Observational and retrospective study including 794 COVID-19 patients admitted to the ICU of Unidade Local de Saúde de São José between October 2020 and January 2022. ABG parameters from admission day, along with demographic and clinical variables, were analyzed using parametric and non-parametric tests. Generalized linear models (GLM) with a negative binomial distribution identified factors influencing the duration of ICU stay and invasive supports. Results: Non-survivors had lower pH and PaO2 and higher lactate levels, indicating more severe respiratory and metabolic impairment. IMV and ECMO needs were associated with lower pH and higher PaCO2. Patients with comorbidities had higher ICU mortality, and significant difference was found across pandemic waves. The GLMs showed that maximum PaCO2, being male, not having chronic lung disease and being unvaccinated prolonged ICU stay and support duration, while maximum lactate and non-obese were associated with shorter durations. Conclusion: Early ABG assessment demonstrated the utility of these parameters as a predictive tool for risk stratification in critically ill COVID-19 patients, supporting their integration into prognostic models and personalized approaches to ICU management.